一种耐氧化涂层及其制备方法

本发明属于涂层，具体涉及一种耐氧化涂层及其制备方法。

背景技术：

1、核能发电法在将核能转变为电能过程中没有二氧化碳排放，核能发电法是实现国家碳达峰及碳中和目标的重要途径。在核能发电过程中，锆合金是常用的核燃料包壳材料，锆合金的耐高温氧化性能较低，锆合金的耐高温氧化性能影响核能发电法的安全性，提升锆合金的耐高温氧化性能具有重大意义。

2、铬具有良好的耐高温氧化性能，在高温蒸汽环境中，铬表层被氧化生成氧化铬层，氧化铬层能阻止铬涂层被进一步氧化。在锆合金表面制备铬涂层能提升锆合金包壳的耐高温氧化性能。此外，铬的热中子吸收截面适中，对锆合金包壳的中子经济性影响较小。因此，铬涂层是一种合适的锆合金包壳表面防护涂层。

3、由于氧化铬层与铬的热膨胀系数相差较大，在冷却过程中，氧化铬层与铬涂层结合界面产生较大的热应力，在热应力作用下结合界面产生裂纹，裂纹造成氧化铬层结合强度低，氧化铬层容易脱落，导致铬涂层的使用寿命较短，这限制了铬涂层的应用。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种耐氧化涂层及其制备方法，本发明提供的耐氧化涂层表层生成的氧化铬层具有高结合强度，氧化铬层不易脱落，涂层的使用寿命长。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供了一种耐氧化涂层，包括不含氧铬涂层和氧掺杂铬涂层；所述不含氧铬涂层附着在锆合金表面；所述氧掺杂铬涂层附着在所述不含氧铬涂层表面；所述氧掺杂铬涂层具有多层结构，所述氧掺杂铬涂层中氧质量百分含量随层数增加而由内向外递增。

4、优选的，所述氧掺杂铬涂层中氧质量百分含量的变化范围为1～30％。

5、优选的，所述氧掺杂铬涂层的内表面的氧质量百分含量为1％，外表面的氧质量百分含量为20～30％。

6、优选的，所述不含氧铬涂层的厚度为40～60μm；所述氧掺杂铬涂层的厚度为40～60μm。

7、本发明还提供了上述技术方案所述耐氧化涂层的制备方法，包括以下步骤：

8、将锆合金表面进行喷砂处理，得到粗糙表面；

9、在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂在所述粗糙表面制备不含氧铬涂层，在含氧的气氛中进行低压等离子喷涂在所述不含氧铬涂层表面制备具有多层结构的氧掺杂铬涂层，得到耐氧化涂层；

10、所述含氧的气氛包括氧气和氩气；所述氧气与氩气的流量比随所述氧掺杂铬涂层的层数的增加而增大。

11、优选的，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的工作气体为氩气，工作气体的流量为2500～3500l/h；所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的气压为20～40kpa。

12、优选的，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的功率为27～31kw。

13、优选的，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的喷涂距离为120～180mm。

14、优选的，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的送粉速率为14～20g/min。

15、优选的，所述含氧的气氛中氧气和氩气的流量比的变化范围为(1～20):10。

16、本发明提供了一种耐氧化涂层，包括不含氧铬涂层和氧掺杂铬涂层；所述不含氧铬涂层附着在锆合金表面；所述氧掺杂铬涂层附着在所述不含氧铬涂层表面；所述氧掺杂铬涂层具有多层结构，所述氧掺杂铬涂层中氧质量百分含量随层数增加而由内向外递增。

17、本发明提供的耐氧化涂层中氧含量梯度增大，靠近涂层表面的氧含量高，远离涂层表面的氧含量低。在高温蒸汽环境中，涂层表层被氧化生成氧化铬层，由于在氧化铬层结合界面附近的掺杂氧含量高，氧化铬层与结合界面附近的热膨胀系数接近，在冷却过程中氧化铬层结合界面产生的热应力小，结合界面不易产生裂纹，氧化铬层的结合强度高。此外，由于远离表面的氧含量低，在与不含氧铬涂层结合界面附近，掺杂氧的铬涂层与不含氧铬涂层的热膨胀系数相近，结合界面产生的热应力小。因此，本发明提供的耐氧化涂层表层在高温氧化环境中生成的氧化铬层在冷却过程中具有高结合强度，氧化铬层不易脱落，涂层的使用寿命长。

技术特征：

1.一种耐氧化涂层，其特征在于，包括不含氧铬涂层和氧掺杂铬涂层；所述不含氧铬涂层附着在锆合金表面；所述氧掺杂铬涂层附着在所述不含氧铬涂层表面；所述氧掺杂铬涂层具有多层结构，所述氧掺杂铬涂层中氧质量百分含量随层数增加而由内向外递增。

2.根据权利要求1所述的耐氧化涂层，其特征在于，所述氧掺杂铬涂层中氧质量百分含量的变化范围为1～30％。

3.根据权利要求2所述的耐氧化涂层，其特征在于，所述氧掺杂铬涂层的内表面的氧质量百分含量为1％，外表面的氧质量百分含量为20～30％。

4.根据权利要求1所述的耐氧化涂层，其特征在于，所述不含氧铬涂层的厚度为40～60μm；所述氧掺杂铬涂层的厚度为40～60μm。

5.权利要求1～4任一项所述耐氧化涂层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的工作气体为氩气，工作气体的流量为2500～3500l/h；所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的气压为20～40kpa。

7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的功率为27～31kw。

8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的喷涂距离为120～180mm。

9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述在无氧的气氛中进行低压等离子喷涂的送粉速率为14～20g/min。

10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述含氧的气氛中氧气和氩气的流量比的变化范围为(1～20):10。

技术总结本发明属于涂层技术领域，具体涉及一种耐氧化涂层及其制备方法。本发明提供了一种耐氧化涂层，包括不含氧铬涂层和氧掺杂铬涂层；所述不含氧铬涂层附着在锆合金表面；所述氧掺杂铬涂层附着在所述不含氧铬涂层表面；所述氧掺杂铬涂层具有多层结构，所述氧掺杂铬涂层中氧质量百分含量随层数增加而由内向外递增。在高温氧化环境中该耐氧化涂层表层生成的氧化铬层在冷却过程中具有高结合强度，氧化铬层不易脱落，涂层的使用寿命长。技术研发人员：杨学兵,张林伟,郭炜,余玖明,曾松,陈文夫,贺友兴,江畅,胡强受保护的技术使用者：江西省科学院应用物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/5